La interferencia electromagnética (EMI), o ruido eléctrico, es generada por todo, desde teléfonos móviles hasta erupciones solares, y puede hacer que la transmisión precisa de una señal sea tan difícil como intentar tener una conversación clara en una habitación ruidosa. Para mejorar la claridad de la señal en los circuitos electrónicos, los diseñadores de dispositivos recurren a filtros de supresión de EMI.

El filtrado EMI eficaz es necesario para casi todos los dispositivos electrónicos modernos, incluidos los dispositivos que generan su propia EMI, así como los dispositivos que son sensibles a la EMI dentro de su entorno, y es especialmente importante en aplicaciones de alta confiabilidad que utilizan señales de menor potencia y tienen estrictas exigencias de fidelidad de señal. Los filtros EMI de alta confiabilidad están diseñados para cumplir o superar consistentemente los requisitos de rendimiento y son de vital importancia para cualquier industria con un alto costo de falla. Por ejemplo, muchas aplicaciones médicas, militares y de defensa dependen de filtros de alta confiabilidad para la transmisión y recepción precisa de las señales necesarias para garantizar la seguridad de pacientes y soldados o lograr el éxito de la misión. Los filtros de alta confiabilidad también desempeñan un papel crucial en una serie de aplicaciones comerciales, como la instrumentación, donde la sensibilidad a señales de baja potencia en un entorno ruidoso es un requisito.

PROPIEDADES DE FILTRACIÓN

El objetivo principal de un filtro EMI es suprimir la transmisión de frecuencias seleccionadas de una señal determinada. En la mayoría de los casos, será suficiente un simple filtro de paso bajo, que deja pasar una señal de baja frecuencia mientras bloquea el ruido no deseado de frecuencia más alta. La frecuencia de corte es la frecuencia a la que un filtro comienza a atenuar parte de la señal y normalmente se define como el punto en el que la amplitud de la señal es 3 decibelios (dB) por debajo del valor nominal de la banda de paso. Los valores de capacitancia e inductancia de un filtro se seleccionan cuidadosamente para lograr la frecuencia de corte y la respuesta de frecuencia deseadas.

Los valores de pérdida de inserción, que se refieren a la relación entre la intensidad de una señal insertada y la intensidad de la señal transmitida y normalmente se expresan en decibelios, son una característica principal de la eficacia del filtro. La pérdida de inserción ideal para el rango de frecuencia de interés es 0 dB y es infinita para todas las demás frecuencias. Sin embargo, los filtros son dispositivos complejos que están sujetos a influencias externas, incluida la inductancia parásita, la capacitancia parásita, la resonancia de los componentes y la resonancia del circuito, que hacen imposible un rendimiento ideal. Una vez que se ha diseñado y producido un filtro, los usuarios pueden analizar su pérdida de inserción en una amplia gama de frecuencias para obtener una descripción precisa de su envolvente de rendimiento.

Otras características que afectan la eficacia del filtro incluyen la resistencia en serie equivalente (ESR), el factor de disipación (DF) y el factor Q. Una ESR baja es una indicación de un filtro bien diseñado que no disipará mucha energía durante su funcionamiento. El DF bajo, que tiene en cuenta tanto la ESR como la reactancia del condensador filtrado, es otro, ya que es su inverso: el factor Q, que también se utiliza para indicar la calidad del filtro en algunas industrias.

SELECCIÓN DE CIRCUITO

Hay varias configuraciones de circuito diferentes utilizadas para el filtrado EMI, que van desde un solo condensador conectado a tierra hasta un circuito con hasta tres elementos. Las selecciones ideales dependen de las características y propiedades únicas del dispositivo en el que se utilizará el filtro, como la impedancia del dispositivo.

CLASIFICACIONES DE TENSIÓN

El rendimiento del filtro EMI debe coincidir con el rendimiento del condensador para un filtrado eficaz. Los condensadores cerámicos, que utilizan capas muy delgadas de dieléctrico cerámico para separar las capas conductoras entre sí e impedir el libre flujo de electricidad, pueden diseñarse para soportar voltajes superiores a 1,600 VCC. Por lo tanto, los diseñadores de filtros deben elegir los materiales dieléctricos apropiados y las dimensiones que mejor se adapten al conjunto único de requisitos de rendimiento de cada capacitor.

Los filtros también deben diseñarse y probarse para las condiciones de voltaje de CA o CC de cada circuito. Las clasificaciones de los filtros de CC no son las mismas que las de los filtros de CA, por lo que la capacidad de un filtro para resistir con éxito un alto voltaje de CC no necesariamente predice su rendimiento cuando se expone a un alto voltaje de CA y viceversa. Por ejemplo, los filtros con clasificación de CA a menudo tendrán valores de capacitancia más bajos para evitar el sobrecalentamiento y los daños resultantes del calentamiento por corriente reactiva, mientras que es probable que los filtros con clasificación de CC que se espera experimenten ráfagas de voltaje breves e irregulares, como los empleados en los desfibriladores cardíacos implantables. someterse a una prueba de voltaje pulsado para garantizar la integridad del capacitor.

Además de poder soportar los voltajes apropiados, los filtros bien diseñados también resisten la fuga de corriente a través del capacitor. Es imposible construir un condensador que impida por completo este flujo de electricidad, pero los diseñadores de filtros pueden mitigar la corriente de fuga mediante la selección adecuada de materiales para minimizar su impacto en el rendimiento del dispositivo.

MÚLTIPLES LÍNEAS FILTRADAS

Los dispositivos electrónicos complejos a menudo requieren filtrado en múltiples líneas de señal o alimentación. Una forma de aislarlos entre sí es utilizar una férula metálica especializada que contenga y actúe como conexión a tierra común para múltiples filtros, conectando sus cajas mientras las clavijas permanecen aisladas.

Un solo filtro pasante EMI generalmente se construye como un capacitor en forma de rosquilla llamado discoide, cuyos diámetros interior y exterior actúan como puntos de conexión para la carcasa y el cable y sirven como polos del capacitor. En aplicaciones donde el espacio es escaso, se pueden integrar múltiples capacitores discoidales en una sola pieza de cerámica denominada conjunto de capacitores e instalarlos en un pasamuros para la integración de dispositivos. Estos tipos de conjuntos de paso de filtrado proporcionan la mayor concentración de filtros en el volumen físico más pequeño y se utilizan a menudo en dispositivos médicos implantables, en los que la alta densidad y el volumen mínimo ofrecen una ventaja competitiva real, así como para el filtrado de conectores comerciales y militares.

Los fabricantes de filtros experimentados también pueden desarrollar conjuntos de condensadores y pasamuros completamente probados y ensamblados en formas y tamaños personalizados para facilitar una integración perfecta y en un solo paso en diseños de dispositivos más desafiantes para reducir la posibilidad de daños a los componentes o errores de instalación. No existe un límite estricto en la cantidad de capacitores que se pueden integrar en una matriz, pero el costo aumenta con la cantidad.

INTEGRACIÓN E INSTALACIÓN DEL SISTEMA

Hay disponible una variedad de tamaños de cajas y longitudes de cables para adaptarse a aplicaciones específicas. Por ejemplo, hay filtros en miniatura disponibles para aplicaciones con restricciones de espacio y peso, y diseños personalizados están disponibles cuando los tamaños de cajas existentes no son ideales. Algunos sistemas también requieren que los filtros presenten una fuerte resistencia contra la humedad y otros contaminantes, que empleen sellos herméticos que eviten la fuga de gases o que tengan en cuenta variables ambientales como la reducción normal de la resistencia del aislamiento que se produce cuando la cerámica se calienta. Una selección cuidadosa de materiales y métodos de instalación pueden lograr estas características y ayudar a prevenir la degradación del rendimiento durante la vida útil del componente.

Aunque los filtros deben instalarse en un blindaje EMI, como un gabinete conductor bien conectado a tierra, para un rendimiento óptimo, los diseñadores de dispositivos pueden elegir entre una variedad de opciones de instalación. Los elementos soldados son una de las opciones más compactas, están diseñados para resistir el calor de la soldadura en un ensamblaje final y también pueden proporcionar excelentes niveles de hermeticidad. Otras opciones incluyen filtros tipo perno, que tienen rosca y pueden tener una cabeza hexagonal; filtros cilíndricos, que tienen el mayor volumen interno y pueden acomodar circuitos complejos en un solo paquete, como un filtro Pi o T; y filtros tipo tornillo. Todos los estilos de filtro tienen la opción de sellado hermético en ambos extremos del componente para evitar la desgasificación.

Se pueden tomar medidas adicionales para proteger la integridad del filtro tanto durante como después de la instalación. Por ejemplo, precalentar una unión soldada antes de exponerla a la temperatura máxima de soldadura puede evitar la aplicación de estrés térmico innecesario, y manipular con cuidado las cajas de los filtros puede ayudar a prevenir la deformación mecánica.

PRUEBAS E INSPECCIÓN

Cuando el rendimiento del filtro es fundamental, la selección de filtros debe limitarse a aquellos que hayan sido probados al 100% para determinar sus propiedades relevantes. Las piezas estándar de alta confiabilidad se someten a inspecciones eléctricas y visuales y secuencias de prueba adicionales para garantizar aún más la confiabilidad del filtro. También existen varios estándares US-MIL que proporcionan requisitos extremadamente específicos para procedimientos y resultados de pruebas eléctricas, mecánicas y térmicas. Dado que la mayoría de las cerámicas tienen una alta propensión a la propagación de grietas, los componentes cerámicos con cualquier indicio de inestabilidad mecánica generalmente fallarán tempranamente. Las pruebas de estrés de filtros y condensadores de alta confiabilidad eliminan cualquier pieza inferior que pueda causar problemas en el futuro.

AVX Corporation ofrece varios niveles diferentes de pruebas para proporcionar la confiabilidad requerida para numerosas aplicaciones. Las pruebas de nivel R son más estrictas que las pruebas comerciales estándar e incluyen una variedad de pruebas diseñadas para simular el rendimiento del filtro bajo estrés. Las pruebas de clase B y clase S incluyen pruebas más completas que las de nivel R, como una inspección radiográfica, un proceso en el que se toman imágenes de una pieza con rayos X para examinar de forma no destructiva su estructura interna. El grupo A y el grupo B se refieren a diferentes niveles de prueba dentro de un lote. Las pruebas del grupo A se realizan en todos los lotes producidos e incluyen algunas pruebas que se realizan en el 100% de las piezas y otras que solo se realizan en una muestra. Las pruebas del grupo B generalmente se realizan en una muestra e incluyen pruebas de vida exhaustivas. Las piezas a nivel de espacio, o piezas de clase S con pruebas del Grupo B, representan uno de los niveles de confiabilidad más altos que se pueden alcanzar para un filtro EMI.

Las secuencias de prueba reales pueden variar ligeramente según el fabricante del filtro y los requisitos especiales del dispositivo, pero a menudo incluyen pruebas descritas en MIL-PRF-28861, MIL-PRF-31033, MIL-STD-202, MIL-STD-220 y otras especificaciones. . Los fabricantes de filtros con experiencia identificarán y ejecutarán los mejores regímenes de prueba para cada aplicación.

CONSIDERACIONES DE COSTOS Y FABRICACIÓN

Las especificaciones del filtro, incluida la complejidad del circuito, las clasificaciones de voltaje y corriente, el tamaño y la resistencia a la temperatura, así como el nivel de confiabilidad deseado y la cantidad de pruebas necesarias para lograrlo, afectan el costo del filtro en diversos grados. Si bien muchos de estos factores se rigen por requisitos a nivel de dispositivo, hay algunos aspectos del diseño de filtros en los que los fabricantes experimentados pueden reducir costos sin afectar notablemente la función del filtro. Cualquier compensación entre costo y rendimiento debe discutirse exhaustivamente durante la fase de diseño para garantizar que se pueda crear un producto de calidad a un costo razonable.

La selección adecuada de materiales es un elemento importante del costo porque los precios y la funcionalidad pueden variar significativamente entre las diferentes opciones de materiales. Por ejemplo, el uso de paladio en lugar de platino para cables o terminaciones de condensadores puede generar importantes ahorros en costos de material, pero puede dificultar la instalación. Ciertas configuraciones de cables y densidades de matriz también pueden aumentar los costos. Para realizar las mejores selecciones, es importante considerar las dimensiones del capacitor, como el grosor y la forma, y ​​tener una buena comprensión del entorno del proceso de ensamblaje. Las variables que incluyen si los cables se soldarán o insertarán de otro modo en el dispositivo final pueden afectar la selección de materiales debido al hecho de que ciertas opciones de materiales son las más adecuadas para métodos de conexión específicos. En algunos casos, los diseñadores de dispositivos también pueden tener conocimientos que los diseñadores de filtros no tienen, como la posibilidad de lograr mayores ahorros de costos mediante una instalación simplificada u optimizada que haría que valga la pena un diseño de filtro más costoso y complejo.

Además, cambios aparentemente menores en los diseños de los condensadores pueden tener efectos enormemente adversos en los procesos de fabricación y diseño de dispositivos. Por ejemplo, pequeños cambios en la capacitancia a veces pueden requerir rediseños completos del capacitor. Si bien muchos dispositivos tienen requisitos únicos que exigen filtros completamente personalizados, algunos dispositivos nuevos pueden utilizar una plantilla existente para lograr tiempos de entrega más cortos y menores costos de calificación y pieza por pieza para volúmenes iniciales.

FILTROS COMERCIALES

Las regulaciones para filtros y dispositivos comerciales pueden variar según el país en el que se venden. Por ejemplo, algunos países restringen la concentración de materiales peligrosos en productos electrónicos y pueden exigir que los fabricantes cumplan con RoHS o estándares similares. Los diseñadores de filtros experimentados conocen bien estos requisitos y pueden discutir con sus clientes varias opciones, como el uso de poliimida conductora en lugar de terminaciones sin soldadura y sin cadmio.

Las normas y regulaciones relativas a la emisión de radiación electromagnética también pueden impulsar la decisión de utilizar un filtro. Además de mantener la EMI dañina fuera de un dispositivo, los filtros también pueden evitar que la EMI se escape e interfiera con otros equipos sensibles cercanos. Casi todos los países tienen regulaciones que determinan el tipo aprobado y la cantidad de EMI que pueden generar los dispositivos.

Las acreditaciones, como el registro ISO 9001, pueden ayudar a garantizar que los proveedores sigan prácticas de fabricación éticas. Además de este tipo de estándares de calidad, muchos países y empresas también cuentan con regulaciones respecto a la selección ética de proveedores. Los proveedores de filtros éticos cumplen con todas las regulaciones laborales en su país de operación, así como con regulaciones internacionales más amplias, como la Ley de Esclavitud Moderna de 2015, SA8000, el Código de Conducta EICC y ILO 18000.

FILTROS AEROESPACIALES Y DE DEFENSA

La fabricación de productos para empresas aeroespaciales y de defensa requiere el cumplimiento de reglas y regulaciones estrictas que rigen casi todos los aspectos del rendimiento, la fabricación y las pruebas de los dispositivos. Las empresas de defensa a menudo deben seguir regulaciones estrictas sobre cómo seleccionan y auditan a sus proveedores. Es posible que exista una lista específica de proveedores que hayan recibido acreditación según ciertos estándares militares de EE. UU. y/u requisitos de otros países que deben cumplirse para poder vender piezas allí. Por ejemplo, Estados Unidos exige que las empresas cumplan con las regulaciones de cumplimiento de exportaciones aplicables, como las Regulaciones de Administración de Exportaciones (EAR) y las Regulaciones sobre Tráfico Internacional de Armas (ITAR). Los proveedores aeroespaciales y de defensa también deben seguir ciertas regulaciones con respecto a la seguridad y confidencialidad de los productos que fabrican, así como cualquier información sobre el uso o usuario previsto del producto. AVX está incluido en la Lista de Productos Calificados (QPL) del Centro de Suministros de Defensa de Columbus, que forma parte del Departamento de Defensa de EE. UU.

FILTROS PARA DISPOSITIVOS MÉDICOS

La tecnología de los dispositivos médicos ha avanzado a un ritmo asombroso en los últimos años, con dispositivos cada vez más compactos, complejos y, en algunos casos, incluso menos intrusivos para los pacientes. Debido al mundo cada vez más conectado en el que vivimos, estos y otros dispositivos sensibles están sujetos a niveles crecientes de interferencia electromagnética de nuestro entorno. Cualquier dispositivo médico sin filtro corre el riesgo de sufrir interferencias dañinas de diversas fuentes de EMI. Para mantener altos niveles de precisión y confiabilidad, muchos dispositivos médicos emplean filtros EMI para minimizar el ruido y mantener la fidelidad de la señal. Los filtros de dispositivos médicos suelen tener algunos de los requisitos espaciales más estrictos y, por lo tanto, suelen utilizar conjuntos de paso filtrados o condensadores discoidales en miniatura, que ofrecen un rendimiento de alta densidad en envases de bajo volumen.

Dado que la gran mayoría de los dispositivos médicos implantables funcionan con baterías, es importante minimizar la potencia de los filtros para prolongar la vida útil del dispositivo. Medir y minimizar la resistencia en serie equivalente (ESR) o el factor de disipación (DF) puede ayudar a mantener al mínimo el consumo innecesario de la batería, y una alta resistencia de aislamiento (IR) puede ayudar a minimizar las fugas de corriente a través del capacitor. Los dispositivos médicos implantables modernos suelen utilizar baterías de celda primaria no recargables diseñadas para durar 10 años o más. Sin embargo, dado que la tecnología de baterías implantadas de alta confiabilidad no ha seguido el ritmo de la miniaturización de muchos otros componentes electrónicos empleados en estos dispositivos, minimizar el consumo de energía es crucial para lograr las expectativas de vida útil de la batería y del dispositivo.

Los primeros marcapasos y otros dispositivos implantables no eran compatibles con las exploraciones por resonancia magnética (MRI) debido al impacto que cantidades tan grandes de EMI tendrían en la función del dispositivo. Afortunadamente, desde entonces muchos dispositivos implantables han mejorado hasta el punto de que pueden soportar con seguridad ciertos niveles de exposición a la resonancia magnética. Los métodos mediante los cuales los diseñadores de dispositivos médicos garantizan que sus dispositivos sean compatibles con la resonancia magnética y cómo se prueban pueden ser propiedad de cada empresa, pero siempre requieren varios tipos de filtros. Como tal, los fabricantes de filtros que suministran a la industria de dispositivos médicos deben considerar cuidadosamente las formas en que estos procedimientos de prueba y la posterior exposición a la resonancia magnética pueden afectar los métodos de conexión de cables, el uso de conexión a tierra interna o externa y otras características.

Además de los requisitos para una mayor funcionalidad, varios organismos reguladores globales también imponen regulaciones estrictas, que van desde el diseño hasta las auditorías y la documentación, a los fabricantes de dispositivos médicos y sus proveedores en un intento por garantizar aún más la seguridad del paciente. Como tal, es fundamental que los diseñadores de dispositivos médicos seleccionen fabricantes de filtros con un historial comprobado de cumplimiento de las regulaciones y productos confiables. Los diseñadores de dispositivos médicos también pueden beneficiarse de la utilización de diseños de filtros existentes siempre que sea posible, ya que hacerlo puede generar ahorros de tiempo y costos de calificación para los dispositivos implantables.

El diseño de filtro óptimo es necesariamente un proceso colaborativo. Los filtros EMI tienen un gran impacto y se ven afectados de manera similar por el diseño de los dispositivos en los que están diseñados. No existen soluciones únicas para todos. La mayoría de los filtros están personalizados o diseñados completamente a medida para una aplicación específica, ya que incluso modificaciones menores en los requisitos eléctricos de un filtro, como un ligero aumento en el voltaje de funcionamiento, pueden tener consecuencias potencialmente catastróficas si el filtro no se modifica adecuadamente para cumplir con la nueva especificación. . En consecuencia, es vital que los diseñadores de dispositivos y los diseñadores de filtros EMI trabajen juntos y se comuniquen claramente sobre los requisitos y limitaciones de todos y cada uno de los aspectos de cada nuevo diseño. Factores como la capacitancia, la tensión nominal, las dimensiones, la hermeticidad y el costo deben equilibrarse cuidadosamente para llegar también a un resultado final óptimo.

En general, los desafiantes requisitos de los dispositivos electrónicos de alta confiabilidad, y especialmente los empleados en los exigentes mercados aeroespacial, médico y de defensa, han llevado a la necesidad de un filtrado EMI cada vez más complejo. A través de discusiones detalladas de las consideraciones de diseño presentadas en este artículo y una consideración cuidadosa de los requisitos de rendimiento únicos de cada dispositivo individual, los diseñadores de dispositivos y de filtros EMI pueden trabajar juntos para lograr los niveles de confiabilidad más altos posibles.

En noviembre 6, 2018   /   Noticias / Eventos / Prensa, Recursos, Microondas RF / Película delgada, Artículos técnicos/documentos técnicos